Назад в библиотеку

Общие положения по сохранению живучести и обеспечению защиты радиоэлектронных средств от воздействий электромагнитного оружия и электронного терроризма

Автор: Юрий Георгиевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Источник: Журнал «Специальная Техника»

Все современные объекты электроэнергетики, средства связи, системы управления транспортных средств и средств жизнеобеспечения содержат радиоэлектронные средства (РЭС), поэтому актуальной проблемой является задача обеспечения надежности и стойкости РЭС к внешним воздействующим факторам. В данной работе не затрагиваются вопросы защиты от искажения программного обеспечения и от информационных вирусов в РЭС – известных проявлений криминальной деятельности, борьба с которой в настоящее время организована и проводится государственными службами. Рассматриваются проблемы электронного терроризма, связанные с воздействием на РЭС электромагнитных импульсов (ЭМИ) высокой интенсивности.


Источниками ЭМИ являются многочисленные электромагнитные факторы естественного и искусственного происхождения: разряды молний и статического электричества (СЭ), излучения радиолокационных и радиопередающих средств (РЛС и РПС), короткие замыкания в энергетическом оборудовании, в ЛЭП и т.п., стойкость к воздействию которых предусматривается в процессе проектирования современных РЭС и контролируется на специальных стендах, имитирующих электромагнитные факторы (ЭФ).


Успехи в создании эффективных источников энергии и развитие новых методов генерирования мощных ЭМИ, имеющих высокую скорость нарастания и большую длительность, привели к созданию в США и России нового электромагнитного оружия (ЭМО), которое предназначено прежде всего для вывода из строя РЭС путем воздействия на уязвимые части РЭС ЭМИ и ЭМИ-СВЧ. Сообщается [1, 2], что в этом десятилетии ЭМО может быть принято на вооружение. Доступность ЭМО или их составных частей на рынке вооружения приведет к криминальному применению этих средств в процессе конкурентных разборок, террористических и вандальных проявлений отдельных групп лиц.


Специалисты, занимающиеся вопросами оценки стойкости РЭС к воздействию электромагнитных факторов, электромагнитной совместимостью всегда могут найти в комплексе аппаратуры слабое звено и выбрать соответствующие технические средства электромагнитного излучения (ЭМИ), поражающее РЭС бесконтактным путем – дистанционно. Подобные генераторы ЭМИ могут быть выполнены в виде переносных, передвижных, летающих и стреляющих устройств.


Генератор излучений ЭМИ содержит источник питания, модулятор и полеобразующее устройство – антенну. Привычные бытовые приборы могут быть частями таких генераторов и использоваться для электромагнитного бытового терроризма [3].


Излучения ЭМИ и ЭМИ-СВЧ могут поражать как отдельные устройства РЭС, так и стратегические площадные объекты, объекты электроэнергетики.


Стоимость изготовления таких генераторов, предназначенных для различного применения, может находиться в пределах от 5 до 50 тыс. долларов США. Затраты на устранение последствий воздействия ЭМИ на РЭС в 5 – 10 раз выше за счет поиска, обнаружения, ремонта и дополнительного контроля РЭС, если эти воздействия не вызвали взрыв, пожар с сопутствующими человеческими жертвами.


Затраты на проведение работ, связанных с обеспечением стойкости РЭС к воздействию ЭМИ, на ранних стадиях проектирования составляют не более 2% от стоимости разработки, а стоимость защищенного РЭС возрастает не более чем на 3 – 5%. Однако более чем на порядок возрастают затраты, если мероприятия по защите РЭС от воздействия ЭМИ проводятся на поздних этапах проектирования.


По экспериментальным данным соотношение стоимости замены пораженного “слабого звена” в РЭС, например, изделия электронной техники (ИЭТ) на входном контроле, после монтажа на печатную плату в условиях производства и при эксплуатации РЭС составляет 2:5:50. Даже однократное воздействие на клеммы ИЭТ напряжения, превышающего допустимое значение статического потенциала (по техническим условиям на ИЭТ от 2-х до 600 В), вызывает деградацию параметров ИЭТ (увеличение обратного тока, изменение входной характеристики и т.д.), что приводит к снижению порога стойкости к воздействию последующих импульсов помех, снижению стойкости к воздействию климатических, механических и радиационных факторов, существенному уменьшению времени остаточного ресурса ИЭТ (до 102 – 103 часов).


Воздействие электромагнитного оружия вызывает в цепях РЭС и на клеммах ИЭТ импульсы напряжений от 100 до 10000 В. Наблюдаются массовые искрения оболочек кабелей на корпус аппаратуры и землю, пробои в установочных колодках, разъемах и воздушных промежутках размером до 50 мм между составными частями конструкции РЭС. При этом энергия искровых пробоев составляет от 0,1 до 100 мДж. Этой энергии достаточно, чтобы в РЭС вызвать отказы электронной техники, замыкания в цепях источников питания, пожары и взрывы горючих веществ, поскольку энергия инициирования взрыва многих пыле-газо-воздушных смесей находится в пределах от 20 до 1 мДж, лакокрасочных и бензиновых паров от 1 до 0,01 мДж, поражения полупроводниковых структур – от 1 до 0,001 мДж.


Поражающее действие ЭМО достигается за счет действия на РЭС электромагнитного поля (ЭМП), имеющего высокую скорость нарастания магнитной и электрической составляющих ЭМИ, создающего высокие значения пространственного распределения градиента потенциала поля в окружающем воздушном пространстве и в земле, большую длительность импульса и частоту повторения. Основным критерием стойкости комплекса РЭС к воздействию ЭМО является такая напряженность поля электромагнитного излучения, когда в цепях уязвимых элементов интенсивность помех достигнет допустимый уровень. Дополнительным критерием может быть напряженность поля, когда регистрируется начало искровых пробоев во внешних покровах аппаратуры.


Поражающее свойство ЭМО усиливается в 2 – 4 раза за счет неоптимального проектирования РЭС, имеющих внешние электромагнитные экраны с острыми углами, выступающие части и локальные неоднородности, нерациональную разводку внешних кабелей, внутренних цепей, систему заземлений и защиты. Большое значение для стойкости РЭС имеет форма внешнего экрана электромагнитной защиты. Например, при воздействии ЭМИ на электромагнитные экраны, выполненные в виде шара и параллелепипеда одинакового объема, начало искрения по поверхности последнего возникает при интенсивности ЭМП в 3-и раза меньше, чем при действии ЭМИ на шар.


Основные методы проектирования наземных технических средств, стойких к компромиссным условиям воздействий ЭМИ, молниевых разрядов и статического электричества приведены в ОСТ 107.420082.031-97. Структурная схема обеспечения электромагнитной безопасности (ЭМБ) представлена на рис. 1 [3].



Рисунок 1
Рисунок 1. Обеспечение ЭМБ

ЭМС – электромагнитная совместимость

ЭФ – электромагнитный фактор


Рациональные косвенные методы испытаний комплекса РЭС на стойкость к воздействию ЭМИ (и разрядов молний) путем пропускания тока по внешним покровам РЭС, эквивалентного внешним полевым воздействиям ЭМИ, и расчетно-экспериментальные оценки стойкости фрагментов РЭС, приведены в ОСТ 107.20.57.002-88. Эти косвенные методы оперативных испытаний РЭС разработаны в соответствии с материалами семи авторских свидетельств. Эффективность косвенных методов подтверждена результатами испытаний многих образцов технических средств. Стоимость испытаний РЭС и их составных частей косвенными методами не менее чем в 10 раз ниже стоимости испытаний РЭС полевыми методами, приведенными в отдельных действующих ГОСТах [4].


Показателем стойкости РЭС к воздействию ЭФ является максимальный уровень ЭФ, при котором еще выполняется критерий стойкости РЭС к воздействию ЭФ. Критериям стойкости РЭС, находящегося в обесточенном состоянии, к воздействию ЭМИ является отсутствие необратимых отказов и недопустимых изменений параметров РЭС, установленных в нормативной документации (НД) или технических условий (ТУ) на них. Критерием стойкости ИЭТ при этом является непревышение напряжения помех в уязвимых цепях, соединенных с клеммами ИЭТ, допустимых Uо доп, установленных в НД (ТУ) на ИЭТ по параметру стойкость к статическому электричеству.


Критерием стойкости РЭС, находящегося под напряжением, к воздействию ЭМИ является отсутствие необратимых и обратимых отказов (сбоев) в момент или после воздействия ЭМИ. Критерием стойкости по обратимым отказам при этом является непревышение напряжения помех в уязвимых цепях, соединенных с клеммами ИЭТ, допустимых Uт доп, установленных в НД (ТУ) на ИЭТ по параметру импульсная помехоустойчивость.


Исследования показали, что для цифровых схем ИЭТ, на которые поданы напряжения источников питания, амплитуда напряжения переключения схемы, при которой происходит сбой составляет Uтдоп ~ 0,01 Uо доп при одной и той же длительности импульса. Соответственно соотношение пороговых величин по энергии импульса помехи составляет 103 – 104 раз. Имеются сведения о создании ИЭТ, имеющих энергию переключения 10-14 Дж.


Анализ источников информации начиная с 60-х годов прошлого века, посвященных вопросам стойкости ИЭТ к воздействию импульсных помех, показывает, что для типовых изделий, применяемых в цифровых схемах, амплитуда допустимого напряжения импульса помехи Uо доп снижается в 2 – 4 раза, а энергия порога переключения схемы – до 80 раз в каждом последующем десятилетии [5].


Воздействие ЭМИ по физическому механизму и степени опасности для РЭС подразделяют на три категории:


I категория – воздействие напряжений помех на схемы функционально-конструктивных частей (ФКЧ) в результате прохождения тока через резистивные, емкостные и индуктивные элементы, соединенные с цепями входных-выходных разъемов РЭС;


II категория – воздействие напряжений помех в цепях ФКЧ, индуктированных электрическими и магнитными полями, возникающими в месте расположения данной ФКЧ в момент воздействия ЭМИ;


III категория – воздействие напряжения помех на клеммы ФКЧ, вызванных растеканием тока по элементам конструкции, экранам кабелей и земляным (корпусным) цепям данной ФКЧ в момент воздействия электромагнитного излучения – растекание тока ЭМИ по внешним покровам РЭС.


Оценка поражающего действия различных источников: РЛС, РПС, МР, СЭ производится путем испытаний РЭС на стойкость к воздействию значимых показателей и максимальных уровней интенсивности этих источников. В НД по испытаниям нет эквивалентных пересчетов в критерии отказа РЭС импульсных и гармонических помех, различных форм импульсов, длительности, напряжения помех в цепях и напряженности полей ЭМИ – магнитной и электрической составляющих и т.п.


В сложном положении оказываются разработчики и изготовители РЭС, которые, чтобы выполнить положение РД-50-697-90 об обязательной сертификации продукции например, в соответствии с ГОСТ 29280-92 (МЭК-1000-4-91) “Испытания на помехоустойчивость”, должны провести 23 испытания РЭС на стойкость к воздействию помех в цепях питания и управления по методам этого НД. Поэтому, стесненные в средствах службы разработчиков РЭС вынуждены игнорировать эти процедуры контроля или выбирать такие НД, методы которых не требуют больших затрат, но обеспечивают совместимость требований всех воздействий, в том числе воздействий полей ЭМИ и наведенных токов ЭМИ.


Не менее чем на порядок можно снизить затраты средств, применяя модифицированные модели отказов уязвимых частей РЭС: зарядовой, скоростной и энергетической [4]. Результаты испытаний различных радиоэлектронных средств в разных организациях подтвердили правильность приведенных подходов к оценке стойкости РЭС.


Для оценки стойкости РЭС к воздействию электромагнитного излучения косвенными методами непосредственно на месте штатного размещения применяется переносной генератор напряжений ЭМИ и миниатюрные автономные регистраторы импульсных напряжений (АРИН) с памятью, включаемые на вход уязвимых контрольных цепей РЭС. В настоящее время метод оценки допустимых импульсных помех в уязвимых цепях от воздействий коммутаций энергетического оборудования с помощью АРИН применяется при оценке электромагнитной совместимости аппаратуры управления, автоматики и безопасности электрических станций и подстанций и их стойкости к воздействиям ЭМИ в организациях РАО ЕЭС России.


Защита РЭС от воздействия электромагнитного оружия выполняется методами рационального конструирования с использованием известных методов экранирования, ограничением уровней помех в цепях, применением различных систем заземлений и т.п. Для защиты приемников широкополосных сигналов от воздействий ЭМИ и разрядов молний было применено устройство экранирования аппаратуры с нелинейными свойствами – пропускающими слабый сигнал и экранирующий ЭМП высокой интенсивности (А.С. N 999185 от 20.03.81 г.). Защитная оболочка была выполнена трехслойной. Два внешних слоя выполнены из радиопрозрачного материала, а в полости между ними находился газ, который ионизировался при воздействии ЭМП высокой напряженности и экранировал антенну от энергии помех (рис. 2).

Рисунок 2

1- оболочка;

2 - полость, заполненная легкоионизирующим диэлектрическим материалом либо газом;

3 и 4 — внешние слои оболочки;

5 - коллектор;

6 - экран;

7 - защищаемая аппаратура


В дополнении к данному устройству было разработано и испытано устройство с нелинейными свойствами, представляющее собою металлическую решетку, в образующие которой были включены диоды, для замыкания ячеек решетки при воздействии мощных излучений ЭМП.


Известно, что при длительном пребывании человека в условиях экранированного помещения снижается его работоспособность, ухудшаются показатели его здоровья. Причиной этому является снижение естественных электромагнитных факторов в помещении: геомагнитного поля, электрического поля, волн Шуманна и т.п. В соответствии с руководством Госсанэпиднадзора Р.2.2.755-99 уровень снижения геомагнитного поля на производственных рабочих местах включен в число электромагнитных факторов, подлежащих обязательному периодическому контролю.


Применение нелинейного материала для экранирования рабочих мест разрешает эту проблему: природные поля не ослабляются, а мощные техногенные воздействия экранируются.


В настоящее время разработаны теоретические предпосылки создания листового композиционного материала с внутренним барьерным слоем, обладающим нелинейными свойствами. Основными задачами разработки такого материала являются: технологическое обеспечение заданных частотных и амплитудных характеристик, изготовление материала за один технологический проход, чтобы материал был недорогой и годен для массового применения в РЭС. В настоящее время изготовлены и испытаны первые образцы такого материала. Он может быть использован не только для защиты РЭС от воздействий ЭМИ и ЭМИ-СВЧ, но и для защиты человека от облучений РЛС, РПС, излучений сотовых телефонов, создания пороговых датчиков и регистраторов излучений мощных ЭМП и т.п. Однако из-за отсутствия финансирования работы по созданию нелинейного материала приостановлены.


Электромагнитный терроризм может быть направлен не только на поражение технических средств, но и непосредственно на здоровье человека. Например, энергия разряда электричества величиной около 0,8 джоуля через тело человека вызывает у него шок, а 80 джоулей приводит к летальному исходу. В настоящее время получены результаты биологических исследований и разрабатывается нормативный документ, где дозовая экспозиция мощных ЭМИ противопоставляется снижению времени жизни человека на один год. Представляется, что доступная защита человека от таких несанкционированных воздействий может быть выполнена с применением нелинейных материалов.


Распространение технологий создания ЭМО и доступность элементов устройств генерирования ЭМИ ставит на повестку дня защиту РЭС, систем управления энергетических и информационных средств и человека от воздействий электромагнитных факторов природного и техногенной происхождения и бытового терроризма, способных нанести большой экономический ущерб за счет отказов электронных систем, устройств связи, взрывов и пожаров легковоспламеняющихся веществ и замыканий электропроводки. Поэтому проблемы повышения стойкости РЭС от воздействий ЭМИ, разработка нелинейных материалов являются актуальной задачей настоящего времени.

Список использованной литературы

1. Кадуков А.Е., Разумов А.В. Основы технического и оперативно-тактического применения электромагнитного оружия. Петербургский журнал электроники, вып. 2, 2000.

2. Россия выставляет на рынок оружие будущего, газета Независимое военное обозрение N 39 (261), 19 – 25 октября 2001.

3. Рябов Ю.Г. и др. Проблемы электромагнитной безопасности и совместимости продукции и рабочих мест. Новое в ЭМС, вып. 4, 1998.

4. Рябов Ю.Г., Лопаткин С.М. Основные принципы контроля электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств. Радиопромышленность, вып. 2, 1994.

5. Рябов Ю.Г., Бабурин В.М., Ставинский В.Н. Проблемы обеспечения электростатической и электромагнитной безопасности рабочих мест. Стандарты и качество, вып. 4, 1996.